Number Theory: Structures, Examples, and Problems



Download 1,87 Mb.
Pdf ko'rish
bet59/125
Sana08.02.2022
Hajmi1,87 Mb.
#434761
1   ...   55   56   57   58   59   60   61   62   ...   125
Bog'liq
Titu Andreescu, Dorin Andrica Number Theory Str

Alternative proof.
The property is trivially true when
p
=
2, so assume that
p
is
odd. By Fermat’s little theorem, the polynomial
x
p

1

1 has for its
p

1 distinct
roots modulo
p
the numbers 1
,
2
, . . . ,
p

1. According to Theorem 7.1.1 we have
(
x

1
)(
x

2
)
· · ·
(
x

p
+
1
)

x
p

1

1
(
mod
p
).
By setting
x
=
0 we obtain
(

1
)
p

1
(
p

1
)
! ≡ −
1
(
mod
p
).
Since
p

1 is even, the result follows.
Remark.
The converse is true, that is, if
n
|
(
n

1
)
! +
1 for an integer
n

2,
then
n
is a prime. Indeed, if
n
were equal to
n
1
n
2
for some integers
n
1
,
n
2

2,
we would have
n
1
|
1
·
2
· · ·
n
1
· · ·
(
n

1
)
+
1, which is not possible.
1
John Wilson (1741–1793), English mathematician who published this result without proof. It was
first proved in 1773 by Lagrange, who showed that the converse is also true.


142
I Fundamentals, 7. More on Divisibility
Problem 7.4.1.
If p is an odd prime, then the remainder when
(
p

1
)
!
is divided
by p
(
p

1
)
is p

1
.
Solution.
We need to show that
(
p

1
)
! ≡
p

1
(
mod
p
(
p

1
))
.
From Wilson’s theorem we obtain
(
p

1
)
! −
(
p

1
)

0
(
mod
p
)
. Because
(
p

1
)
! −
(
p

1
)

0
(
mod
p

1
)
and gcd
(
p
,
p

1
)
=
1, we get
(
p

1
)
! −
(
p

1
)

0
(
mod
p
(
p

1
)).
Remark.
Generally, if
a

b
(
mod
u
)
,
a

b
(
mod
v)
, and gcd
(
u
, v)
=
1, then
a

b
(
mod
u
v)
.
Problem 7.4.2.
Let p be an odd prime and a
1
,
a
2
, . . . ,
a
p
an arithmetic sequence
whose common difference is not divisible by p. Prove that there is an i
∈ {
1
,
2
,
. . .
, p
}
such that a
i
+
a
1
a
2
· · ·
a
p

0
(
mod
p
2
)
.
Solution.
Note that
a
1
,
a
2
, . . . ,
a
p
give distinct remainders when divided by
p
.
Take
i
such that
a
i

0
(
mod
p
)
. It follows that
a
1
a
2
· · ·
a
p
a
i

(
p

1
)
!
(
mod
p
).
From Wilson’s theorem, we have
(
p

1
)
! ≡ −
1
(
mod
p
)
, and the conclusion
follows.
Problem 7.4.3.
Let a and n be positive integers such that n

2
and
gcd
(
a
,
n
)
=
1
. Prove that
a
n

1
+
(
n

1
)
! ≡
0
(
mod
n
)
if and only if n is a prime.
Solution.
If
n
is a prime, the conclusion follows from Fermat’s little theorem and
Wilson’s theorem.
For the converse, assume by way of contradiction that
n
=
n
1
n
2
, where
n
1

n
2

2.
Because
n
|
a
n

1
+
(
n

1
)
!
, it follows that
n
1
|
a
n

1
+
(
n

1
)
!
, that is,
n
1
|
a
n

1
, contradicting the hypothesis gcd
(
a
,
n
)
=
1.
Problem 7.4.4.
(1) If p is a prime, then for any positive integer n
<
p,
(
n

1
)
!
(
p

n
)
! ≡
(

1
)
n
(
mod
p
).
(2) If p is a prime, then
p

1
k

(

1
)
k
(
mod
p
)
for all k
=
0
,
1
, . . .
,
p

1
.
Solution.
(1) The property is obvious for
p
=
2, so assume that
p
is odd. From
Wilson’s theorem,
(
p

1
)
! ≡ −
1
(
mod
p
)
; hence
(
n

1
)
!
n
(
n
+
1
)
· · ·
(
p

1
)
≡ −
1
(
mod
p
).


7.4. Wilson’s Theorem
143
This is equivalent to
(
n

1
)
!
(
p

(
p

n
))(
p

(
p

n

1
))
· · ·
(
p

1
)
≡ −
1
(
mod
p
).
But
p

k
≡ −
k
(
mod
p
)
,
k
=
1
,
2
, . . . ,
p

n
; hence
(
n

1
)
!
(

1
)
p

n
(
p

n
)
! ≡ −
1
(
mod
p
),
and taking into account that
p
is odd, the conclusion follows.
(2) We have
p

1
k
=
(
p

1
)
!
k
!
(
p

k

1
)
!
,
hence
k
!
(
p

k

1
)
!
p

1
k
=
(
p

1
)
! ≡ −
1
(
mod
p
)
. Applying the result in
(1) for
n
=
k
+
1, it follows that
k
!
(
p

k

1
)
! ≡
(

1
)
k
+
1
(
mod
p
)
and we are
done.
Additional Problems
Problem 7.4.5.
Let
p
be an odd prime. Prove that
1
2
·
3
2
· · ·
(
p

2
)
2

(

1
)
p
+
1
2
(
mod
p
)
and
2
2
·
4
2
· · ·
(
p

1
)
2

(

1
)
p
+
1
2
(
mod
p
).
Problem 7.4.6.
Show that there do not exist nonnegative integers
k
and
m
such
that
k
! +
48
=
48
(
k
+
1
)
m
.
(1996 Austrian–Polish Mathematics Competition)
Problem 7.4.7.
For each positive integer
n
, find the greatest common divisor of
n
! +
1 and
(
n
+
1
)
!
.
(1996 Irish Mathematical Olympiad)
Problem 7.4.8.
Let
p

3 be a prime and let
σ
be a permutation of
{
1
,
2
, . . .
,
p

1
}
. Prove that there are
i
=
j
such that
p
|
i
σ(
i
)

j
σ(
j
)
.
(1986 Romanian International Mathematical Olympiad Team Selection Test)



8
Diophantine Equations
8.1
Linear Diophantine Equations
An equation of the form
a
1
x
1
+ · · · +
a
n
x
n
=
b
,
(
1
)
where
a
1
,
a
2
, . . . ,
a
n
,
b
are fixed integers, is called a
linear Diophantine
1
equa-
tion
. We assume that
n

1.
The main result concerning linear Diophantine equations is the following:
Theorem 8.1.1.
Equation (1) is solvable if and only if
gcd
(
a
1
, . . . ,
a
n
)
|
b
.
In case of solvability, one can choose n

1
solutions such that any solution is
a integer linear combination of those n

1
.
Proof.
Let
d
=
gcd
(
a
1
, . . . ,
a
n
)
. If
b
is not divisible by
d
, then (1) is not solvable,
since for any integers
x
1
, . . . ,
x
n
the left-hand side of (1) is divisible by
d
and the
right-hand side is not.
Actually, we need to prove that gcd
(
x
1
,
x
2
, . . . ,
x
n
)
is a linear combination
with integer coefficients of
x
1
,
x
2
, . . . ,
x
n
. For
n
=
2 this follows from Proposi-
tion 1.3.1. Since
gcd
(
x
1
, . . . ,
x
n
)
=
gcd
(
gcd
(
x
1
, . . . ,
x
n

1
),
x
n
),
we obtain that gcd
(
x
1
, . . . ,
x
n
)
is a linear combination of
x
n
and gcd
(
x
1
, . . .
,
x
n

1
)
; thus by the induction hypothesis, it is a linear combination of
x
1
, . . . ,
x
n

1
,
x
n
.
1
Diophantus of Alexandria (ca. 200–284), Greek mathematician sometimes known as “the father
of algebra” who is best known for his book
Arithmetica
. This book had an enormous influence on the
development of number theory.
© Birkhäuser Boston, a part of Springer Science + Business Media, LLC 2009
T. Andreescu and D. Andrica, 
Number Theory
,
 
DOI: 10.1007/b11856_8, 
145


146

Download 1,87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   55   56   57   58   59   60   61   62   ...   125




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©hozir.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling

kiriting | ro'yxatdan o'tish
    Bosh sahifa
юртда тантана
Боғда битган
Бугун юртда
Эшитганлар жилманглар
Эшитмадим деманглар
битган бодомлар
Yangiariq tumani
qitish marakazi
Raqamli texnologiyalar
ilishida muhokamadan
tasdiqqa tavsiya
tavsiya etilgan
iqtisodiyot kafedrasi
steiermarkischen landesregierung
asarlaringizni yuboring
o'zingizning asarlaringizni
Iltimos faqat
faqat o'zingizning
steierm rkischen
landesregierung fachabteilung
rkischen landesregierung
hamshira loyihasi
loyihasi mavsum
faolyatining oqibatlari
asosiy adabiyotlar
fakulteti ahborot
ahborot havfsizligi
havfsizligi kafedrasi
fanidan bo’yicha
fakulteti iqtisodiyot
boshqaruv fakulteti
chiqarishda boshqaruv
ishlab chiqarishda
iqtisodiyot fakultet
multiservis tarmoqlari
fanidan asosiy
Uzbek fanidan
mavzulari potok
asosidagi multiservis
'aliyyil a'ziym
billahil 'aliyyil
illaa billahil
quvvata illaa
falah' deganida
Kompyuter savodxonligi
bo’yicha mustaqil
'alal falah'
Hayya 'alal
'alas soloh
Hayya 'alas
mavsum boyicha


yuklab olish